專利名稱：星上撓性振動的二元智能結構控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種星上撓性振動的智能控制裝置及控制方法，特別是涉及一種二元 智能結構控制裝置及控制方法，屬于航天器高精度高穩定度姿態控制技術領域。
背景技術：
大型復雜衛星，諸如以0. Im甚高分辨率對地觀測和1 10000立體測繪為代表的 復雜衛星，是多功能、高性能大型系統。這些復雜衛星往往呈現典型的大型多體撓性空間結 構，主要表現在多功能和高性能要求有效載荷的比重不斷增加，而中心結構、天線、太陽帆 板等公用艙必將輕型化，因此必須將其作為撓性多體結構衛星。另一方面，這些復雜衛星又 迫切要求實現甚高精度姿態控制，以滿足衛星甚高分辨率對地觀測和測繪的要求。對于此類帶有大型撓性部件的航天器，要實現高精度高穩定度姿態控制必須解決 撓性部件的振動抑制問題，比如大型展開式半剛性太陽翼。傳統的星上集中控制，為了避免 對撓性模態的激勵，控制系統帶寬往往較低(比模態基頻低一個數量級左右)。這樣，一旦 撓性被某種外界因素激勵(如軌道控制、空間熱誘導燈)，撓性振動衰減緩慢，進而影響整 星的姿態控制精度。若采用常規的智能材料(如壓電片)進行振動主動控制，也會遇到如下問題其 一，此類太陽翼由基板和鉸鏈組成，由鉸鏈產生的振動變形比基板大；而傳統的壓電片只能 粘貼于基板上，因此單獨用壓電片作為作動器，控制效果不佳；其二，采用壓電片作為作動 器時，往往需要在太陽翼上布置較多的壓電片，相應的信號線和功率線都分布于太陽翼上 并通過SADA的滑環傳遞信號，繁瑣的布線可能影響太陽翼的展開和正常工作；其三，對于 較大幅度的太陽翼振動，壓電作動器的驅動力顯得不足。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種同時利用壓電敏感器 和形狀記憶合金作動器兩種智能材料的二元智能結構控制裝置及控制方法，充分發揮兩張 智能材料的優勢而避開其劣勢，對于展開式半剛性太陽翼不僅能夠對包含鉸鏈在內的振動 施加控制，而且布線簡單、驅動力大，不影響太陽翼展開。本發明的技術解決方案是星上撓性振動的二元智能結構控制裝置，包括若干個 壓電敏感器、若干根形狀記憶合金絲和控制器，若干個壓電敏感器通過電纜將感應到的電 壓傳輸到控制器，控制器將電壓轉換為形狀記憶合金絲控制電流通過電纜傳輸到若干根形 狀記憶合金絲，控制形狀記憶合金絲產生張力，來控制星上撓性振動。所述的壓電敏感器安裝在星上太陽翼結構表面上，安裝位置處的模態應變大于a， a為預設的應變閾值。所述的形狀記憶合金絲不少于2根，在星上太陽翼結構表面上均布，每根形狀記 憶合金絲的一端固定于太陽翼根部的連接架上，另一端的固定點為所控模態的最大可控度 的位置處。
所述的控制器采用PD控制算法、獨立模態控制算法或獨立模態正位反饋控制算 法將壓電敏感器感應到的電壓轉換為形狀記憶合金絲的控制電流。所述的預設的應變閾值a為0. 02。星上撓性振動的二元智能結構控制方法，通過以下步驟實現第一步，確定壓電敏感器的安裝位置，Al. 1、對太陽翼結構表面進行有限元分析，得到太陽翼在軌的撓性各階模態應變 分布；Al. 2、根據需要控制的模態，將模態應變大于設定的閾值的區域確定為壓電敏感 器的安裝位置；第二步，確定形狀記憶合金絲的安裝位置，A2. 1、形狀記憶合金絲在太陽翼結構表面上均布；A2. 2、每根形狀記憶合金絲的一端固定于太陽翼根部的連接架上；A2. 3、利用有限元分析計算，得到所要控制的模態可控度最大的位置，確定此位置 為形狀記憶合金絲的另一端的固定點；第三步，在第一步和第二步確定的安裝位置上安裝壓電敏感器和形狀記憶合金 絲，并將壓電敏感器和形狀記憶合金絲分別通過電纜與控制器連接；第四步，壓電敏感器將感應到的電壓傳輸到控制器；第五步，控制器利用PD控制算法、獨立模態控制算法或獨立模態正位反饋控制算 法將壓電敏感器感應到的電壓轉換為形狀記憶合金絲的控制電流，通過控制電流驅動形狀 記憶合金絲產生張力，控制星上撓性振動。所述第二步形狀記憶合金絲為雙程形狀記憶合金絲。本發明設計原理為保證圖像成像質量，高分辨率詳查對地偵察衛星一般要求實現高穩定度姿態控 制。星上撓性振動是制約高穩定度姿態控制的主要原因之一，對于遙感衛星而言，展開式的 太陽翼是其主要的撓性振動部件。盡管撓性振動主動控制技術已經出現多年，但針對撓性 太陽翼的主動振動控制還少有應用，特別是針對真實太陽翼這樣的復雜結構。目前星上太陽翼撓性振動還缺乏有效的手段。基于被動阻尼材料的方法，對低頻 模態效果不佳，且安裝阻尼器帶來的額外問題較多。基于壓電材料的主動控制方法，則面臨 問題是其一，壓電片需要多點分布在太陽翼的各個基板上，再通過布線和SADA滑環將信 號傳遞回星體，不僅對滑環環數要求高，還造成布線繁雜，甚至影響太陽翼展開，工程應用 困難。其二，對于太陽翼鉸鏈(板間及根部鉸鏈)變形引起的振動，由于壓電片不能布置于 鉸鏈上，難有效果；其三，壓電片驅動力有限，大幅振動控制效果不佳。本發明就是針對太陽翼這樣的復雜撓性結構，設計了這樣一種主動控制裝置，既 能有效抑制其振動，而同時又不影響其展開和正常工作。本發明的二元智能結構控制裝置采用壓電陶瓷(PZT)作為應變測量敏感器，形狀 記憶合金絲(SMA)作為執行機構，發揮這兩種智能材料各自的優點，而避免其缺點。即壓電 作為敏感器具有靈敏度高的特點，但作為驅動器則驅動力小，且無法布置于鉸鏈等處(否 則影響帆板展開)；而形狀記憶合金作為驅動器其驅動力比壓電大很多，且可以折疊，不影 響帆板展開和鎖定。
首先分析真實太陽翼結構撓性振動的應變分布。利用有限元分析太陽翼在軌易于 激發的撓性模態及應變分布，其中要考慮太陽翼根部連接架和板間鉸鏈。利用壓電敏感器作為敏感元件，將其布置于需要控制模態的最大應變處。由于所 控模態非常有限，所布置的壓電片數目也非常有限；對于所控一階模態為一階外彎的情況， 只需在基板與根部支架連接鉸鏈附近的面板上布置壓電片。采用雙程形狀記憶合金絲(SMA)作為振動控制作動器，安裝于太陽翼的背面，并 將其一端固定于太陽翼的自由端，另一端固定于根部連接架；通過控制SAM中電流，驅動 SMA產生張力，達到控制振動的目的。由于SMA在非工作狀態下可以任意折疊，因此不會影 響太陽翼的展開。本發明與現有技術相比有益效果為(1)本發明采用壓電陶瓷(PZT)作為應變測量敏感器，形狀記憶合金絲(SMA)作為 執行機構，發揮這兩種智能材料各自的優點，而避免其缺點，即壓電作為敏感器具有靈敏度 高的特點，但作為驅動器則驅動力小，且無法布置于鉸鏈等處(否則影響帆板展開)；而形 狀記憶合金作為驅動器其驅動力比壓電大很多，且可以折疊，不影響帆板展開和鎖定；(2)本發明通過確定了壓電敏感器的安裝位置和安裝數量，以及形狀記憶合金絲 的安裝位置和安裝數量，使得對所需控制的模態，敏感器和執行器配置數量最少；(4)分析和試驗表明，在相同的脈沖激勵下，采用本發明的控制方法，太陽翼振動 衰減時間為無控狀態下自由衰減時間的20%左右。
圖1為本發明實施例中考慮前三階彎曲模態的壓電敏感器配置分布圖；圖2為本發明實施例中考慮基頻模態的壓電敏感器配置分布圖；圖3為本發明實施例中太陽翼上的形狀記憶合金絲配置分布圖；圖4為本發明流程圖。
具體實施例方式本發明裝置包括若干個壓電敏感器、若干根形狀記憶合金絲和控制器，若干個壓 電敏感器通過電纜將感應到的電壓傳輸到控制器，控制器將電壓轉換為形狀記憶合金絲控 制電流通過電纜傳輸到若干根形狀記憶合金絲，控制形狀記憶合金絲產生張力，來控制星 上撓性振動。本發明如圖4所示，具體實施分三個步驟1、壓電敏感器的配置壓電敏感器配置的方法是壓電敏感器的最優位置，必然使得各個壓電片粘貼處 結構表面的模態應變絕對值總和最大，此時壓電敏感器感應出的電荷總和為最大。根據太陽翼的結構和材料特性參數，對太陽翼結構表面進行有限元分析；利用有限元分析法得到太陽翼的撓性各階模態應變分布；根據需要控制的模態，以及模態應變大于設定的閾值的區域，可確定為壓電敏感 器的安裝位置；下面以某太陽翼的分析和測試結果為例說明之。
考慮撓性太陽翼的前三階彎曲模態，則壓電陶瓷應配置于如圖1所示的深色區 域，當僅考慮基頻模態時，參見圖2的配置方式。2、形狀記憶合金的配置形狀記憶合金絲在太陽翼結構表面上均布，以保證足夠的驅動力和均勻受力；每 根形狀記憶合金絲的一端固定于太陽翼根部的連接架上；根據太陽翼結構參數，利用有限 元分析計算，當另一端的固定點不同時，對模態可控度也不同。根據所要控制的模態階數， 可確定最佳的固定點位置，以使所要控制的模態可控度最大，即模態可控矩陣Grammian因 子最大。模態可控矩陣Grammian因子的文獻參見《自動控制原理》(下冊)，清華大學出 版社，吳麒，1992年，P34-P36。如圖3所示，是某太陽翼的SMA布置結果，對于彎曲模態，通常的計算結果為太陽 翼最外板的自由端。3、控制器算法設計控制算法的實現有多種方式。比如PD控制、獨立模態控制等。但本專利推薦獨立 模態正位反饋控制算法。與獨立模態控制方法比較，該算法繼承了獨立模態控制方法中控 制溢出小的優點，且該算法僅需要反饋模態位移信息，而獨立模態控制則需要同時反饋模 態位移和模態速度。獨立模態控制參見文獻L. Merrovitch and H. Baruh, 1982, Journal of Guidance and Control 5, "Control of self-adjoint distributed—parameter systems", P59-66 ； 獨立模態正位反饋控制參見文獻C. J. GOH and TKCAUGHEY，1985，International Journal of Control, 41, "On the stability problem caused by finite actuator dynamics in the collocated control of large space structures，，，787-802。本發明未詳細說明部分屬本領域技術人員公知常識。
權利要求
1.星上撓性振動的二元智能結構控制裝置，其特征在于包括若干個壓電敏感器、若 干根形狀記憶合金絲和控制器，若干個壓電敏感器通過電纜將感應到的電壓傳輸到控制 器，控制器將電壓轉換為形狀記憶合金絲控制電流通過電纜傳輸到若干根形狀記憶合金 絲，控制形狀記憶合金絲產生張力，來控制星上撓性振動。
2.根據權利要求1所述的星上撓性振動的二元智能結構控制裝置，其特征在于所述 的壓電敏感器安裝在星上太陽翼結構表面上，安裝位置處的模態應變大于a，a為預設的應 變閾值。
3 根據權利要求1所述的星上撓性振動的二元智能結構控制裝置，其特征在于所述 的形狀記憶合金絲不少于2根，在星上太陽翼結構表面上均布，每根形狀記憶合金絲的一 端固定于太陽翼根部的連接架上，另一端的固定點為所控模態的最大可控度的位置處。
4.根據權利要求1所述的星上撓性振動的二元智能結構控制裝置，其特征在于所述 的控制器采用PD控制算法、獨立模態控制算法或獨立模態正位反饋控制算法將壓電敏感 器感應到的電壓轉換為形狀記憶合金絲的控制電流。
5.根據權利要求1所述的星上撓性振動的二元智能結構控制裝置，其特征在于所述 的預設的應變閾值a為0. 02。
6.利用權利要求1所述的星上撓性振動的二元智能結構控制裝置的控制方法，其特征 在于通過以下步驟實現第一步，確定壓電敏感器的安裝位置，Al. 1、對太陽翼結構表面進行有限元分析，得到太陽翼在軌的撓性各階模態應變分布；Al. 2、根據需要控制的模態，將模態應變大于設定的閾值的區域確定為壓電敏感器的 安裝位置；第二步，確定形狀記憶合金絲的安裝位置，A2. 1、形狀記憶合金絲在太陽翼結構表面上均布；A2. 2、每根形狀記憶合金絲的一端固定于太陽翼根部的連接架上；A2. 3、利用有限元分析計算，得到所要控制的模態可控度最大的位置，確定此位置為形 狀記憶合金絲的另一端的固定點；第三步，在第一步和第二步確定的安裝位置上安裝壓電敏感器和形狀記憶合金絲，并 將壓電敏感器和形狀記憶合金絲分別通過電纜與控制器連接；第四步，壓電敏感器將感應到的電壓傳輸到控制器；第五步，控制器利用PD控制算法、獨立模態控制算法或獨立模態正位反饋控制算法將 壓電敏感器感應到的電壓轉換為形狀記憶合金絲的控制電流，通過控制電流驅動形狀記憶 合金絲產生張力，控制星上撓性振動。
7.根據權利要求6所述的星上撓性振動的二元智能結構控制方法，其特征在于所述 第二步形狀記憶合金絲為雙程形狀記憶合金絲。
全文摘要
星上撓性振動的二元智能結構控制裝置及控制方法，包括若干個壓電敏感器、若干根形狀記憶合金絲和控制器，若干個壓電敏感器通過電纜將感應到的電壓傳輸到控制器，控制器將電壓轉換為形狀記憶合金絲控制電流通過電纜傳輸到若干根形狀記憶合金絲，控制形狀記憶合金絲產生張力，來控制星上撓性振動。本發明采用壓電陶瓷(PZT)作為應變測量敏感器，形狀記憶合金絲(SMA)作為執行機構，發揮這兩種智能材料各自的優點，而避免其缺點，即壓電作為敏感器具有靈敏度高的特點，但作為驅動器則驅動力小，且無法布置于鉸鏈等處(否則影響帆板展開)；而形狀記憶合金作為驅動器其驅動力比壓電大很多，且可以折疊，不影響帆板展開和鎖定。
文檔編號B64G1/36GK102085918SQ20101062382
公開日2011年6月8日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者劉一武, 張勇智, 張蕓香, 楊孟飛, 牟小剛, 黎康 申請人:北京控制工程研究所